304- Органическая химия_Черных В.П. и др_Х., 2007 -776с

ГеТерОФУнКЦИОналЬнЫе КарБОнОВЫе КИСлОТЫ

501

которые из них применяются в медицине для профилактики и лечения тромбоф-

лебитов (неодикумарин, фепромарон, см. c. 617). транс-изомер — орто-кумаровая кислота — относительно устойчив в свободном состоянии.

27.3. ОКсОКислОТы

Оксокислотами называют органические соединения, которые содержат в своем составе карбоксильную и карбонильную (альдегидную, кетонную) группу.

для них применяют также названия «оксокарбоновые кислоты», «альдегидо- и кетокислоты». в зависимости от расположения функциональных групп различают - -, - и другие оксокарбоновые кислоты.

27.3.1. нОменКлаТУра

как и в ряду гидроксикислот, для многих оксокислот широко используют эмпирические названия (глиоксалевая, пировиноградная и др.). По заместительной номенклатуре IUPAC названия оксокислот образуют из систематических названий карбоновых кислот и префикса оксо-. Положение оксогруппы отражают

спомощью цифровых локантов.

втривиальных названиях альдегидокислот используют префикс формил-, кетокислот — кето-. в случае необходимости положение кетогруппы обозначают буквами греческого алфавита , , и др.

27.3.2. СПОСОБЫ ПОлУЧенИя

Окисление гидроксикислот. Гидроксикислоты, содержащие первичную гидроксильную группу, при окислении в мягких условиях образуют альдегидокислоты, гидроксикислоты со вторичной гидроксигруппой — кетокислоты:

Глава 27

502

Гидролиз  геминальных  дигалогенокарбоновых  кислот. Геминальные дигалоге-

нокарбоновые кислоты, в зависимости от положения атомов галогенов (в конце углеродной цепи или в середине), при гидролизе образуют альдегидоили кетокислоты:

27.3.3. хИмИЧеСКИе СВОЙСТВа

альдегидо- и кетокислоты являются более сильными кислотами по сравнению с соответствующими карбоновыми кислотами, что связано с электроноакцепторным влиянием карбонильной группы (–I-эффект).

реакционная способность оксокислот обусловлена наличием в их структуре карбоксильной и альдегидной или кетонной групп.

По карбоксильной группе они образуют функциональные производные — соли, сложные эфиры, амиды и др.; по карбонильной группе — вступают в реакции нуклеофильного присоединения, свойственные альдегидам и кетонам, в частности, образуют гидразоны, оксимы, циангидрины и т. д. альдегидокислоты легко окисляются, образуя дикарбоновые кислоты. оксокислоты обладают и рядом специфических свойств: - и -оксокислоты сравнительно легко подвергаются декарбоксилированию.

-Оксокислоты в присутствии концентрированной серной кислоты отщепляют углерода (IV) оксид и превращаются в альдегид:

Очень легко подвергаются декарбоксилированию -оксокислоты. так, ацетоук-

сусная кислота уже при комнатной температуре или незначительном нагревании отщепляет углерода (IV) оксид, образуя ацетон. Предполагают, что процессу декарбоксилирования способствует образование внутримолекулярной водородной связи:

ГеТерОФУнКЦИОналЬнЫе КарБОнОВЫе КИСлОТЫ

503

в отличие от кислот, сложные эфиры -оксокислот являются довольно устойчивыми соединениями. важное значение в органическом синтезе имеет этиловый эфир ацетоуксусной кислоты, называемый обычно ацетоуксусным эфиром:

По физическим свойствам ацетоуксусный эфир представляет собой бесцветную жидкость с приятным фруктовым запахом (т. кип. 181 °с). ацетоуксусный эфир получают путем сложноэфирной конденсации этилацетата (см. конденсация кляйзена, с. 471).

ацетоуксусный эфир является таутомерным соединением. ему присуща кетоенольная таутомерия,  обусловленная наличием в структуре молекулы сн-кис- лотного центра (подвижные атомы водорода метиленовой группы) и основного центра — атома кислорода кетонной группы. Подвижность атомов водорода метиленовой группы связана с электроноакцепторным влиянием карбонильной

исложноэфирной групп за счет –I-эффекта:

врезультате миграции протона н+ от метиленовой группы к атому кислорода кетонной группы образуется енольная форма:

Глава 27

504

енольная форма энергетически менее выгодна, чем кетонная. в спиртовом растворе ацетоуксусный эфир существует в равновесной смеси, состоящей на 92,5 % из кетонной и на 7,5 % — из енольной формы. такое сравнительно высокое содержание енольной формы связано с образованием сопряженной системы и внутримолекулярной водородной связи, дополнительно стабилизирующих эту форму:

В химических превращениях ацетоуксусный эфир в зависимости от природы реагента ведет себя, как кетон или енол.

с участием кетонной формы ацетоуксусный эфир подвергается восстановлению водородом в момент выделения, образует циангидрин при взаимодействии с HCN, гидросульфитное производное — с NaHSO3, а также вступает в другие реакции, характерные для кетонов:

наличие енольной формы обусловливает способность ацетоуксусного эфира обесцвечивать бромную воду. Присоединение брома по месту разрыва двойной связи протекает своеобразно:

ГеТерОФУнКЦИОналЬнЫе КарБОнОВЫе КИСлОТЫ

505

Механизм реакции:

в енольной форме ацетоуксусный эфир дает фиолетовое окрашивание с железа (III) хлоридом.

с участием енольной формы ацетоуксусный эфир вступает в реакцию ацилирования. так, при взаимодействии с хлористым ацетилом в среде пиридина образуется о-ацетильное производное.

реакция ацетоуксусного эфира с металлическим натрием или натрия гидроксидом протекает по енольной форме и приводит к образованию натрийацетоуксусного эфира:

натрийацетоуксусный эфир широко применяется в органическом синтезе. он содержит в своем составе амбидентный анион (анион с двойственной реакционной способностью). с точки зрения теории резонанса строение аниона можно изобразить в виде двух граничных структур:

Глава 27

50

натрийацетоуксусный эфир легко реагирует с галогеналканами. алкилирование протекает не по атому кислорода, как можно было ожидать, а по атому углерода (с-алкилирование):

характерным свойством ацетоуксусного эфира является способность к кетонному и кислотному расщеплению.

Кетонное расщепление ацетоуксусного эфира  происходит при нагревании в присутствии разбавленных растворов кислот или щелочей. в этих условиях ацетоуксусный эфир гидролизуется по сложноэфирной группе с образованием этилового спирта и ацетоуксусной кислоты, которая легко декарбоксилируется, образуя ацетон (кетон):

Под действием концентрированных растворов щелочей гидролитическому расщеплению подвергается сложноэфирная группа и углерод-углеродная связь с-2—с-3. в результате реакции образуется молекула этилового спирта и две молекулы соли уксусной кислоты. Эта реакция называется кислотным расщеплением ацетоуксусного эфира:

Механизм реакции:

ацетоуксусный эфир используется в органическом синтезе для получения различных кетонов и карбоновых кислот. рассмотрим, например, как из ацетоук-

ГеТерОФУнКЦИОналЬнЫе КарБОнОВЫе КИСлОТЫ

507

сусного эфира можно получить бутанон или пропионовую кислоту. с этой целью под действием натрия этоксида ацетоуксусный эфир сначала превращают в натрийацетоуксусный эфир, который затем алкилируют и подвергают кетонному или кислотному расщеплению:

ацетоуксусный эфир широко применяется в синтезе различных гетероциклических соединений (см. с. 579), лекарственных веществ и красителей. используется также в качестве ароматизатора пищевых продуктов.

27.3.4. ОТДелЬнЫе ПреДСТаВИТелИ. ПрИмененИе

Пировиноградная  кислота (2-оксопропановая кислота).

бесцветная жидкость (т. кип. 165 °с), растворима в воде, спирте, эфире. впервые была получена пиролизом виноградной кислоты, откуда и произошло название. в настоящее время получают перегонкой винной кислоты в присутствии калия гидросульфата

(см. с. 495).

Пировиноградная кислота — промежуточный продукт обмена углеводов и белков в живых организмах, один из основных метаболитов в цикле трикарбоновых кислот. образуется также при кислотном и спиртовом брожении углеводов.

Пировиноградную кислоту используют в производстве лекарственных ве-

ществ, например атофана (цинхофена).

Глава 27

508

щавелевоуксусная  кислота (2-оксобутандио-

вая кислота). Эта кислота является одновременно

- и -кетокислотой. в живых организмах щавелевоуксусная кислота участвует в цикле трикарбоновых кислот, где образуется при окислении яблочной кислоты, а в дальнейшем —

превращается в лимонную кислоту.

-Кетоглутаровая  кислота (2-оксопен-

тандиовая кислота). белое кристаллическое вещество (т. пл. 115—116 °с), растворяется в воде и этаноле. имеет важное биохимиче-

ское значение, принимает участие в цикле трикарбоновых кислот.

27.4. аМинОКислОТы

Аминокислотами называют производные карбоновых кислот, в углеводородном радикале которых один или несколько атомов водорода замещены на аминогруппу.

в зависимости от природы углеводородного радикала, с которым связана карбоксильная группа, аминокислоты подразделяют на алифатические и ароматические. алифатические аминокислоты по взаимному расположению аминогруппы и карбоксильной группы подразделяют на - - - и так далее аминокислоты. наиболее распространенными в природе являются -аминокислоты, входящие в состав белков.

27.4.1. нОменКлаТУра. ИЗОмерИя

названия аминокислот образуют из тривиальных или систематических названий соответствующих карбоновых кислот и префикса амино-. в случае тривиальных названий для обозначения положения аминогруппы относительно карбоксильной группы используют буквы греческого алфавита и др.; в систематических их названиях — цифровые локанты, причем начинают нумерацию с атома углерода карбоксильной группы. для аминокислот, входящих в состав белков, чаще всего применяют тривиальные названия (глицин, валин и др.). ароматические аминокислоты бензольного ряда рассматривают как производные бензойной кислоты.

ГеТерОФУнКЦИОналЬнЫе КарБОнОВЫе КИСлОТЫ

50

Изомерия аминокислот аналогична изомерии гидроксикислот. она может быть обусловлена разной структурой углеводородного радикала, с которым связана карбоксильная группа, и разным положением аминогруппы в углеродной цепи (структурная изомерия); для аминокислот, содержащих асимметрический атом углерода, изомерия связана с разным расположением заместителей в простран-

стве (оптическая изомерия).

27.4.2. СПОСОБЫ ПОлУЧенИя

существуют многочисленные способы получения аминокислот, из которых наиболее важными являются нижеприведенные.

аммонолиз  галогенокарбоновых  кислот. При взаимодействии галогенокарбо-

новых кислот с аммиаком атом галогена замещается на аминогруппу. ввиду доступности -галогенокарбоновых кислот этот метод в основном применяется для получения -аминокислот:

Действие аммиака и циановодородной кислоты на альдегиды (синтез Штрекке-

ра). способ применяется для синтеза -аминокислот. При взаимодействии альдегидов с аммиаком вначале образуется альдимин, который в присутствии циановодородной кислоты превращается в -аминонитрил. образовавшийся нитрил легко гидролизуется до кислоты:

Присоединение аммиака к α,β-ненасыщенным кислотам. При действии аммиака на -ненасыщенные кислоты образуются -аминокислоты. Присоединение аммиака протекает против правила Марковникова:

Восстановление нитробензойных кислот. При восстановлении нитробензойных кислот в условиях реакции зинина образуются соответствующие аминобензойные кислоты:

Глава 27

510

27.4.3. ФИЗИЧеСКИе И хИмИЧеСКИе СВОЙСТВа

аминокислоты представляют собой белые кристаллические вещества с высокими температурами плавления, хорошо растворимые в воде. вследствие наличия в структуре кислотного центра (группа —соон) и основного центра (группа —NH2) -, -, -, -, - и -аминокислоты

кристаллизуются из нейтральных водных растворов в виде

внутренних солей.

для аминоаренкарбоновых кислот это менее вероятно ввиду меньшей основности аминогруппы.

в химическом отношении аминокислоты проявляют свойства первичных аминов и карбоновых кислот. По карбоксильной группе они образуют функциональные производные карбоновых кислот — соли, сложные эфиры, амиды, галогенангидриды.

с участием аминогруппы аминокислоты образуют соли с минеральными кислотами, вступают в реакции алкилирования, ацилирования, реагируют с азотистой кислотой, а также вступают в другие реакции, свойственные первичным аминам. аминокислоты обладают амфотерным характером, поскольку образуют соли как с минеральными кислотами, так и с основаниями.

некоторые химические превращения аминокислот представлены на схеме:

* реакции проводят после предварительной защиты аминогруппы.